无线自组网在井下语音通信及定位的应用

摘要：井下语音通信是煤矿安全系统的组成部分，随着电子通讯技术的发展，已陆续推出几代产品。无线自组织网络技术的自我配置、多跳式无线接力联接、不需要基础通信设施、低功耗和较低的成本等特性正好适应井下无线通信的特点，同时能够增加调度功能，这是传统无线通信系统所不具备的。
关键词：无线自组网；语音通信系统；手持机；通信协议

0 引言
    煤矿井下的无线通信受到无线电波在“限定空间”中传播特性的约束，一直是老大难问题，通信使用的频率要高于矿井的“截止频率”，不能使用扰射性能较好的短波频率，而直线传播的超短波、微波等频率又受到井下不规则地形的影响，传输距离大大减少，因此在井下基本上使用的是有线无线通信方式相结合的通信方式，只是适当地扩大了有线网的覆盖范围，在井下工作区域变动较大工作面(尤其是掘进工作面)不能很好地提供通信服务。另外，目前井下采用的小灵通语音通话系统不具备指挥调度功能，在非常时刻往往会发生通信堵塞甚至系统崩溃。
    无线自组织网络技术的自我配置、多跳式无线接力联接、不需要基础通信设施、低功耗和较低的成本等特性正好适应井下无线通信的特点。可以用较高的频率，用视距联接的方式配置通信节点，就能实现较好的无线连接。由于每个通信节点只是与其相邻的节点通信，因而不需要较大的发射功率，既降低了每个通信节点的成本又降低功耗，完全可以采用电池供电方案，增加了通信系统的灵活性，便于安装和维护。

1 系统原理和构成及主要技术参数
1．1 系统原理
1．1．1 硬件部分工作原理
    KJ322型煤矿用移动目标管理系统用于煤矿井下人员考勤和移动目标跟踪，井上中心服务器通过光纤网络与井下的矿用分站连通；而矿用无线分站通过无线网络(工作在特高频2 400 MHz附近)连到就近矿用分站，并通过其与地面的主机连通；它们将检测到的识别卡信息(工作在高频915 MHz附近)送到地面的主机中，使系统完成井下人员识别与监测的功能。系统一般由中心服务器、操作终端、矿用分站、矿用无线分站、识别卡、光纤网络、接线盒等其他必要设备组成。矿用分站、矿用无线分站为隔爆兼本安型，识别卡为本质安全型。防爆型设备符合GB 3836的规定。

    语音通信系统在KJ322型煤矿用移动目标管理系统基础上实现了语音通讯功能。该系统在移动目标管理系统基础上增加了语音服务器和手持机等设备。手持机通过无线网络(工作在特高频2 400 MHz附近)连接就近矿用分站或矿用无线分站，并通过它们与地面的语音服务器连通，共同组成一体的计算机网络系统，实现语音通话功能。
1．1．2 软件部分工作原理
    软件模块分为：通信采集模块、数据分析处理模块、数据存储访问模块、数据优化模块、双机热备模块和数据库模块。各个模块既相对独立，又相互联系，形成一个有机的整体。从而无论从部署安装、发布、使用、扩展升级均变得相对简单和容易。同时，各个模块遵从国内和国际软件设计标准，维护容易。因而与第三方系统的集成非常容易，不会存在信息孤岛。软件所采用的技术有：C++、C#、NHibemate、ASP．net、Ajax、WebService、Jscript、Vbscript、XML、SVG、WML、多线程，线程调度、大数据量高效处理算法，专用通信协议设计等。
1．2 系统的构成
    KJ322型人员管理及无线语音系统主要由监控计算机、系统软件、矿用分站、矿用无线分站、手持机等组成。
1．2．1 矿用分站
    矿用分站是KJ322型矿用人员管理系统的固定终端，在煤矿井下的系统的布设中起到支撑作用，是无线与有线之间的转接设备，并且可以在一定程度上不依赖井上的中心设备管理无线自组网工作。并通过光缆与地面的主机连通，其能检测到附近的识别卡信息(工作在高频915 MHz附近)，也可通过无线网络(工作在特高频2 400 MHz附近)连到就近矿用无线分站。
1．2．2 矿用无线分站
    矿用无线分站通过无线网络(工作在特高频2 400 MHz附近)连到就近矿用分站。
1．2．3 手持机
    手持机是井下无线语音通讯的移动终端，与矿用分站或矿用无线分站的2 400 MHz无线网络连接，实现手持机的无线语音通讯功能。
1．3 系统参数及指标
    (1)矿用分站与矿用无线分站、矿用无线分站与矿用无线分站、矿用分站与手持机的无线传输距离不小于40 m(地面遮挡)；
    (2)矿用分站与中心站最大传输距离不小于10 km；
    (3)最大监控容量：系统允许接入的矿用分站数量不小于8个，每个矿用分站最多连接4台矿用无线分站；
    (4)双机切换时间：工作主机故障时备用主机应自动投入工作，从故障到正常工作时间不大于5 min；
    (5)系统支持平台软件：服务器：Windows2003 Server；终端计算机：98／2000／XP／2003／2008；数据库：SQL server2005。

2 系统功能
2．1 语音通话功能
    (1)呼叫、通话、挂断功能；(2)显示被叫号码功能；(3)振动，回铃音播放功能。
    手持机能够提供无线多跳自组网功能，该网络为无中心网，节点数为16，网内节点之间能够通过无线多跳路由功能实现语音和数据在网内的通讯。
    网内支持3路电话会议，即3个节点同时发送语音，能够被覆盖范围内的节点收到并混音播放。
2．2 短消息功能
    支持拼音、英文、数字输入法。
    支持手持机之间短消息的收发，同时提供存储、查询、删除短消息等常见操作。
2．3 漫游功能
    在正常模式下，手持机可在各矿用分站和矿用无线分站之间自由移动，语音通话和短消息。
2．4 调度功能
    人工调度功能：用户呼叫控制台，控制台人员接通电话后，根据用户要求选择目的用户(包括全网、采掘面或个体手持机用户)，并退出此次通话，此时，用户相当于直接呼叫目的用户。
    注：目的用户为全网、采掘面用户时，为全网广播或采掘面广播。
    自动调度功能：语音服务器自动转接用户的语音通话信息。
2．5 管理功能
    录入手持机信息，包括号码、IP、所属单位、持有人等；查询手持机信息，可以通过人名或部门及职位查询手持机号码，或通过手持机号码查询持有人的相关信息。

3 结束语
    本文阐述的技术特点是将无线自组网技术应用于煤矿井下无线语音通信系统，并将该套语音通信系统与现有的KJ322型移动目标管理系统及调度系统相兼容，大大提高资源利用率，提升了井下语音通信水平。本设计的宗旨是要为煤矿提供一套简单、多功能、高效率的通信系统。